Nel 21° secolo, il rapido avanzamento della tecnologia in settori come l'internet industriale, le energie rinnovabili, il trasporto ferroviario ad alta velocità, le comunicazioni 5G e la produzione intelligente ha influenzato significativamente lo sviluppo industriale globale. Il concetto di "nuova costruzione infrastrutturale" introdotto in Cina nel 2018 sottolinea ulteriormente l'importanza di questi settori nella crescita economica nazionale. Tra i materiali cruciali per questi avanzamenti, i magneti permanenti al neodimio-ferro-boro (Nd-Fe-B) svolgono un ruolo fondamentale grazie alle loro eccezionali proprietà magnetiche, occupando oltre il 50% del mercato dei magneti permanenti. Tuttavia, i magneti Nd-Fe-B tradizionali affrontano sfide, in particolare nelle applicazioni che richiedono stabilità ad alta temperatura, come i motori di trazione dei veicoli elettrici e i generatori di turbine eoliche.
Sfide nei Magneti Nd-Fe-B Tradizionali
Una delle principali limitazioni dei magneti commerciali sinterizzati Nd-Fe-B, specialmente quelli senza terre rare pesanti (HRE), è la loro bassa coercitività (circa 1200 kA/m) e temperatura di Curie (Tc = 312°C). La coercitività, una proprietà magnetica estrinseca, è strettamente legata alla composizione e alla microstruttura del magnete. Aumentare la coercitività può efficacemente resistere alla smagnetizzazione a temperature più elevate, migliorando così la stabilità termica del magnete.
Per affrontare questo problema, sono stati esplorati diversi approcci. Un metodo prevede l'aggiunta di elementi di lega di cobalto (Co) per sostituire parte del ferro (Fe) nella fase Nd2Fe14B, aumentando così la temperatura di Curie (Tc) del magnete. Tuttavia, un eccesso di Co non solo aumenta i costi dei materiali ma degrada anche le proprietà magnetiche dure. Un'altra strategia è incorporare elementi HRE come disprosio (Dy) e terbio (Tb) per sostituire il neodimio (Nd) nella fase 2:14:1, formando una fase (HRE, Nd)2Fe14B con un campo di anisotropia magnetica più elevato. Sfortunatamente, gli HRE sono scarsi, con la loro abbondanza nella crosta terrestre inferiore al 10% di quella del Nd, portando a prezzi estremamente elevati. L'introduzione di HRE attraverso la fusione tradizionale aumenta significativamente il costo del magnete, con i materiali HRE che rappresentano il 30% al 50% del prezzo finale dei magneti Nd-Fe-B. Inoltre, l'accoppiamento antiferromagnetico tra atomi HRE e atomi Fe riduce inevitabilmente la rimanenza e il prodotto di energia magnetica del magnete.
Tecnologia di Diffusione al Confine di Grano (GBD)
In risposta alla crescente domanda di magneti Nd-Fe-B ad alta temperatura, lo sviluppo della tecnologia GBD è emerso come una soluzione promettente. Proposta da Nakamura et al. nel 2005, la tecnologia GBD utilizza elementi singoli o composti di HRE come diffusanti. Attraverso il trattamento termico di diffusione, gli HRE penetrano nel magnete dalla superficie lungo i bordi dei grani, distribuendosi nei bordi dei grani e sulle superfici dei grani per migliorare la coercitività del magnete Nd-Fe-B. Il processo di diffusione avviene tipicamente a temperature superiori al punto di fusione della fase ricca di terre rare nei bordi dei grani nel magnete Nd-Fe-B, facilitando la rapida diffusione lungo i bordi dei grani nella fase ricca di terre rare liquide.
Il principio fondamentale della GBD è che l'inversione dei domini di magnetizzazione si forma prima sulle superfici dei grani, rendendole l'anello più debole all'interno del magnete. Aumentando il campo di anisotropia sulle superfici dei grani, la formazione di domini di inversione può essere ritardata, migliorando così la coercitività dell'intero magnete. La GBD distribuisce gli HRE prevalentemente nei bordi dei grani, minimizzando la loro entrata negli interni dei grani. Questo approccio non solo aumenta la coercitività ma mitiga anche gli effetti negativi degli HRE sulla rimanenza, ottenendo eccellenti proprietà magnetiche complessive.
Vantaggi della Tecnologia GBD con Ce
La tecnologia GBD offre diversi vantaggi, in particolare quando viene incorporato il cerio (Ce). Il Ce è un'alternativa economica al Nd e agli HRE grazie alla sua abbondanza. Sostituendo una parte del Nd con Ce, il costo del materiale può essere ridotto mantenendo o addirittura migliorando le prestazioni magnetiche. Studi hanno dimostrato che i magneti Nd-Fe-B contenenti Ce, processati attraverso GBD, mostrano significativi miglioramenti nella coercitività. Ad esempio, la diffusione di Tb in magneti sinterizzati (Ce,Nd)-Fe-B preparati con il metodo a doppia fase principale ha dimostrato di migliorare la coercitività fino al 65%, con una riduzione relativamente minore della remanenza e del prodotto di energia massimo.
Sviluppi Recenti e Direzioni di Ricerca
Negli ultimi anni, la tecnologia GBD è avanzata rapidamente e ha raggiunto l'industrializzazione. Le applicazioni industriali pratiche di GBD hanno ridotto il consumo di HRE di oltre il 50%. Tuttavia, rimangono diverse sfide tecniche e teoriche. Una questione critica è aumentare lo spessore dei magneti che possono essere trattati efficacemente con GBD. La pratica industriale attuale si concentra principalmente su magneti con spessori inferiori a 4 mm, con pochi che superano gli 8 mm. Per applicazioni che richiedono margini di sicurezza più elevati, come motori e generatori che operano sopra i 125°C, sono preferiti magneti più spessi.
Per affrontare questa sfida, i ricercatori stanno esplorando metodi per migliorare la velocità di diffusione dei diffusanti, con l'obiettivo di aumentare la profondità di diffusione in magneti più spessi. Un approccio prevede la modifica della composizione dei diffusanti, ad esempio attraverso l'alleazione o il drogaggio, per fornire canali di diffusione più efficienti. Ad esempio, l'uso di miscele di Al + TbH2 come diffusanti ha dimostrato di migliorare significativamente la coercitività di magneti spessi 6,5 mm rispetto all'uso del solo TbH2. L'introduzione di Al promuove la formazione di fasi di confine di grano a strato sottile continuo tra i grani 2:14:1, migliorando l'accoppiamento demagnetizzante e quindi migliorando la coercitività.
Prospettive Future
Il futuro della tecnologia GBD con Ce promette notevoli sviluppi per la realizzazione di magneti Nd-Fe-B ad alte prestazioni e a costi contenuti. La ricerca continua a concentrarsi sull'ottimizzazione delle composizioni dei diffusanti, sul miglioramento delle efficienze di diffusione e sulla comprensione delle relazioni microstruttura-proprietà nei magneti GBD. Inoltre, è necessario sviluppare metodi per trattare efficacemente magneti più spessi, ampliando la gamma di applicazioni della tecnologia GBD.
In conclusione, gli ultimi sviluppi nella tecnologia GBD con Ce rappresentano un passo significativo in avanti nell'affrontare le limitazioni dei tradizionali magneti Nd-Fe-B. Sfruttando le proprietà uniche del Ce e ottimizzando il processo GBD, i ricercatori stanno aprendo la strada all'adozione diffusa di magneti permanenti ad alte prestazioni e a costi contenuti in vari settori, promuovendo l'innovazione e la sostenibilità nel 21° secolo.
